流体动压径向密封及其在石油机械中的应用

摘 要：随着当代社会的高速发展，对于科学技术的需求逐渐提高，石油机械产业及其相关运作体系正逐渐完善。以流体径向密封为例，在其实际运作中，会出现摩擦磨损发热、摩擦边缘产生吸附膜等问题，进而导致密封失去效用。本文对流体动压径向密封及其在石油机械中的应用进行了简单分析，提出了流体动压径向密封在空間构造有限、环境不利等情况下发挥有效作用的相关方法。

关键词：流体动压；径向密封；石油机械

中图分类号：TB42 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）23-0245-01

引 言

近年来，随着科学技术的快速发展，石油机械技术为了满足社会建设的需要而不断创新进步。其中，流体动压径向密封在石油机械工程中发挥了重要作用，在业界受到了广泛的关注。在现今的石油矿采机械应用中，大部分使用的是流动形式的密封操作，辅以圆环形橡胶增强其密封性。一般操作过程中，常规型号的径向密封圈操作出现错误时通常受到两个方面的影响：①径向密封圈与密封间面之间的摩擦力过大，升温损耗过度；②物理性质的化学吸附膜，在受密封面影响后会因周围环境的变化而破损。且常规密封圈会随其间运动的速率提高和压力差加强而逐渐薄弱，故为保证其正常运作的稳定安全性，必须对其进行内部结构的改造，而通过流体动压径向密封结构，可以优化其工作性能。

1 流体动压密封机械理论及其发展

当代社会中普遍认同的流体密封是以流体动压理论为基础，利用动压油膜减少密封面之间的运动摩擦。一般而言，这种工作性能在机械运作速度越快时发挥的越好，因此其在高速运转情况之下会有较为明显的作用。最早的流体动压密封功能是在20世纪60年代提出的，其原始研究形态是围绕唇形为主的，在采矿机械行业得到了较为广泛的运用。发展至70年代，流体动压油封用量已经有了很大的市场占有量。然而随着工业技术的发展，传统的生产技能已经不能满足高标准的密封要求，因此流体动压与普通环形密封圈的结合构造逐渐被人们接受并投入使用，根据相关的实验研究表明，此类结构的密封操作工作性能大大提高。在随后的几十年间，相关技术不断发展，其润滑、防磨粒侵入等作用逐渐完善[1]。

2 流体动压径向密封在石油机械中的应用

2.1 在牙轮钻头轴承系统中的应用

流体动压密封牙轮钻头最早于20世纪80年代提出，经过科学实验研究分析可得，利用流体动压密封可以有效优化其滑动轴承的工作性能与使用期限，从质量与安全性方面对传统的密封圈进行了功能优化。后期为满足工业发展需要，双密封马达牙轮钻头被研发出来，这是以流体动压工作原理为理论基础，将外部密封形式改为碟形端面形式，内部则采用环形径向密封圈，适应了现代机械工程操作的需要。

2.2 在井下动力钻具支承节中的应用

当前工业机械在螺杆钻具下部支承节上一般以使用钻井液作为开式润滑，钻井液在实际操作中通常由上方进入，利于其对各等级轴承的降温润滑作用。随着对工业机械的发展要求越来越高，当前以现代科技为技术支持的闭式润滑是最受施工人员欢迎的，此种润滑是在封闭的环境下进行的，其各方面性能与传统相比在适用性、效率性等方面都有较大的提升。此方面的研究最早出现在20世纪70年代到80年代之间，美国能源部的相关项目研究中，专业实验室研究了螺杆钻具密封、润滑产品与各种支承节工作性能等方面问题。这些实验都是在完全封闭的情况下进行的，以当时市面上流通使用范围较广的高压密封件与不同种类的密封结构、材料作为实验原材料，对其进行了各种可能性的组合对比。根据实验结果可得，其最长使用期限只有48h，且尚是在高压井底与磨砺性介质工况双方作用的背景下完成的[2]。到了20世纪80年代中期，相关领域权威专家开始在实际工作中投入使用O型圈流体动压密封技术，经过一段时间的实验性尝试之后，流体动压密封正式被投入使用，在其于牙轮钻头轴承工作系统中得以正常使用后，研究人员又开始对其工作性能、使用期限进行了优化研究。经过长时间的实验研究与尝试，其正常使用时限被延长至250～450h之间。

2.3 在水龙头冲管总成中的应用

水龙头结构中起到重要作用的部分就是冲管总成，动密封存在于下方冲管与中心冲管之间，作为中间介质。钻井液以其高压、较强耐磨性起到了优化工作环境的作用。当前技术水平下，水龙头中钻井液密封系统最为薄弱，其承压能力、工作期限等都较低[3]。为解决此类问题，研究人员通过流体动压密封圈辅以高浓度润滑剂的方式增加了密封圈的整体性，另外还研发了安全警报系统，增加了其工作的安全系数，不仅将其工作寿命延长至之前的五倍，还大大节省了资源利用，提高了经济效益。

2.4 在螺杆泵采油系统中的应用

螺杆泵在高粘度稠油、大油气比油以及含砂油的开采工作方面有着特殊的工作效能。当前国内外市场上多采用螺杆泵系统进行机械采油，其工作原理为光杆旋转与抽油杆对螺杆泵的驱动作用[4]。当下光杆密封存在的主要问题为密封不当所导致的原油泄露、维修难度高等故障，对此专业研究人员研发了光杆密封组件，通过动压密封圈的使用保证轴承润滑性能，而且此种结构通用性较强，适用于当下流通的任何一种装置。

3 结束语

总而言之，随着现代社会科学技术的发展，流体动压径向密封技术的重要工作性能得到了较大的发展，在石油机械中的应用也逐渐推广，本文以其工作原理为基础，分别从螺杆泵采油系统、牙轮钻头轴承系统、井下动力钻具支承节、水龙头冲管总成等方面的应用进行了简单探讨。在实际石油矿场工作中，流体密封通常有空间结构不足、润滑剂有限、工作操作变率大等操作局限。长时间的实践操作表明，流体动压密封是当下石油机械工作中较为有效的一种方法。然而其在实际施工过程中还存在着一些需要解决的问题，且国内专业研究工作人员较少，尚不能满足石油机械工作需要，因此相关部门应对此采取应对措施。

参考文献

[1]朱姗姗，李德才，王智森，等.机械密封与磁性液体组合密封流体动压效应的研究[J].真空科学与技术学报，2016（10）：1169～1174.

[2]吉 华，陈 枭，王彦镐，等.倾斜椭圆微孔端面机械密封的回吸现象及对泄漏量影响[J].四川大学学报（工程科学版），2017，49（2）：248～253.

[3]吉 华，夏 夫，陈 枭，等.考虑空化效应的微孔端面机械密封泄漏量计算及机理[J].四川大学学报（工程科学版），2016，48（3）：196～201.

[4]程香平，孟祥铠，彭旭东，等.端面锥形参数对锥——孔组合型机械密封性能的影响[J].化工学报，2016，67（11）：4762～4770.

收稿日期：2018-7-10

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